DE102010045620A1

DE102010045620A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene

Info

Publication number: DE102010045620A1
Application number: DE102010045620A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bayer
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Limo GmbH
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-18
Also published as: DE102010045620B4

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene (11), umfassend erste Homogenisatormittel (4), die eine Mehrzahl von in einer ersten Richtung (X) nebeneinander verlaufenden Laserstrahlen (2) zumindest teilweise homogenisieren können, Überlagerungsmittel (7), die derart angeordnet sind, dass sie die von den ersten Homogenisatormitteln (4) zumindest teilweise homogenisierten Laserstrahlen (2) zumindest in der ersten Richtung (X) zumindest teilweise überlagern können, sowie weiterhin zweite Homogenisatormittel (12), die derart angeordnet sind, dass sie die von den Überlagerungsmitteln (7) zumindest teilweise überlagerten Laserstrahlen (2) zumindest in der ersten Richtung (X) zumindest teilweise homogenisieren können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Dabei soll der Ausdruck Licht nicht nur den sichtbaren, sondern auch den ultravioletten und den infraroten Spektralbereich abdecken.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2007 052 782 A1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Lasermodulen, die beispielsweise Laserdiodenbarren sein können, und eine Mehrzahl von Optikmodulen, die jeweils das Laserlicht eines Lasermoduls formen können. Ein jedes der Optikmodule weist Homogenisatormittel auf, die zwei in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hintereinander angeordnete Linsenarrays aufweisen.
Dabei ist vorgesehen, dass die Optikmodule in einer Arbeitsebene eine Mehrzahl von aneinander anschließenden linienförmigen Intensitätsverteilungen erzeugen, die zusammen eine lange linienförmige Intensitätsverteilung ergeben. Dieses Aneinandersetzen mehrerer Einzelmodule für die Erzeugung einer gestückelten, langen Linie aus mehreren Einzellinien ist zwar prinzipiell möglich, führt jedoch zu einer sehr kleinen Tiefenschärfe und kritischen Stoßstellen.
Ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene findet sich in der WO 2005/085934 A1 . Dort sind ebenfalls Homogenisatormittel vorgesehen, die zwei in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hintereinander angeordnete Linsenarrays aufweisen. Hinter den Homogenisatormitteln ist eine Feldlinse angeordnet, die das durch die Homogenisatormittel hindurch getretene Laserlicht in der Arbeitsebene überlagert. Derartige Homogenisatormittel sind jedoch limitiert seitens der erreichbaren Linienlänge, Linienbreite, Intensitäts- beziehungsweise Leistungsklasse und der einhergehenden Durchmischung beziehungsweise Homogenisierung der Quellstrahlung. Der Grund dafür ist, dass die Linienlänge bei Überlagerung/Mittelung der Quellstrahlung nach den vorgenannten Prinzipien aufgrund der auftretenden Winkel (je länger die Linie, je größer die Winkel beziehungsweise je größer der benötigte Arbeitsabstand) limitiert ist. Als Faustregel gilt etwa, dass der Arbeitsabstand in etwa dem Doppelten der erzeugten Linienlänge entsprechen muss, um noch eine gute Homogenisierung erreichen zu können und die auftretenden Winkel der Strahlung hinreichend klein bleiben zu lassen. Das führt bei langen Linien zu sehr großen Arbeitsabständen und den damit verbundenen Schwierigkeiten bezüglich der Mechanik, Strahlformung und Integration in kleine und kompakte Arbeitsumgebungen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der sich möglichst lange linienförmige Intensitätsverteilungen in einem vergleichsweise kurzen Abstand von der Vorrichtung und/oder den Laserlichtquellen erzeugen lassen.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung weiterhin zweite Homogenisatormittel umfasst, die derart angeordnet sind, dass sie die von den Überlagerungsmitteln zumindest teilweise überlagerten Laserstrahlen zumindest in der ersten Richtung zumindest teilweise homogenisieren können. Die erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht die Aneinanderreihung mehrerer Einzellinien ohne die im Stand der Technik auftretenden Probleme. Es wird eine Überlagerung beziehungsweise Mischung oder Mittelung einer großen Anzahl von Laserlichtquellen ermöglicht, so dass mit diesem Ansatz sehr homogene Intensitätsverteilungen mit großer Tiefenschärfe und modularen Laserlichtquellen sowie skalierbarem Aufbau erreicht werden. Beispielsweise können beliebig viele zu der Strahlformung beitragenden Module nebeneinander angeordnet werden.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Überlagerungsmittel mindestens eine als Feldlinse dienende Linse umfassen, vorzugsweise eine Mehrzahl als Feldlinsen dienende Linsen umfassen. Dabei können die zweiten Homogenisatormittel einen Abstand zu der mindestens einen als Feldlinse dienenden Linse aufweisen, der größer als die Brennweite der mindestens einen Linse ist. Auf diese Weise sind die zweiten Homogenisatormittel in einer Ebene positioniert, in der die Intensitätsverteilung nahezu gleichförmig ist. Diese nahezu gleichförmige Intensitätsverteilung wird dann in eine homogene Winkelverteilung transformiert. Dabei entstehen jedoch keine steilen Flanken der Ortsverteilung, weil die Ebene, in der die zweiten Homogenisatormittel positioniert sind, hinter der Brennebene der Linse und damit hinter der homogenen Ebene der Vorhomogenisierung durch die ersten Homogenisatormittel angeordnet ist. Die Stoßstellen, an denen die einzelnen Laserstrahlen überlappen, sind durch diese Art der Strahlformung sehr unempfindlich bezüglich Tiefenschärfe und Inhomogenitäten seitens der Stoßstellen der Vorhomogenisierung.
Es besteht die Möglichkeit, dass die zweiten Homogenisatormittel zweistufig ausgebildet sind. Dabei können die zweiten Homogenisatormittel mindestens ein Linsenarray, vorzugsweise zwei Linsenarrays, umfassen, wobei die vorzugsweise zwei Linsenarrays in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen hintereinander angeordnet sind. Insbesondere können dabei die Linsenarrays der zweiten Homogenisatormittel derart ausgebildet und/oder zueinander beabstandet sein, dass sie die Laserstrahlen in der Arbeitsebene zumindest in der ersten Richtung zumindest teilweise miteinander überlagern können. Die zweiten Homogenisatormittel erfüllen somit die Funktion eines abbildenden Homogenisators, so dass zwischen den zweiten Homogenisatormitteln und der Arbeitsebene keine weitern Überlagerungsmittel angeordnet sein müssen. Durch den Verzicht auf diese weiteren Überlagerungsmittel kann der Abstand der Arbeitsebene von der Vorrichtung deutlich reduziert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Laserlichtquellen für die Erzeugung der Mehrzahl von Laserstrahlen umfasst, wobei die Laserlichtquellen beispielsweise die Emitter mindestens eines Laserdiodenbarrens oder die Enden einer Mehrzahl von Lichtleitfasern sein können oder durch eine Mehrzahl von Strahlteilern realisiert werden können, mit denen das Licht eines Lasers in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden kann.
Es besteht die Möglichkeit, dass die einzelnen Laserstrahlen hinsichtlich ihrer Intensität geregelt, insbesondere unabhängig voneinander geregelt werden können. Auf diese Weise kann eine homogene Intensitätsverteilung über die gesamte Linienlänge gewährleistet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 1;
3 eine beispielhafte Intensitätsverteilung im Bereich der Eintrittsfläche der zweiten Homogenisatormittel;
4 eine beispielhafte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene.
Zur besseren Verständlichkeit der nachfolgenden Beschreibung sind 1 und 2 mit einem kartesischen Koordinatensystem versehen.
Die abgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von lediglich schematisch dargestellten Laserlichtquellen 1. Die einzelnen Laserlichtquellen 1 sind in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel in einer ersten Richtung, die der X-Richtung entspricht, beabstandet zueinander nebeneinander angeordnet. Von einer jeden der Laserlichtquellen 1 geht jeweils ein Laserstrahl 2 in positiver Z-Richtung aus.
Es kann sich bei den Laserlichtquellen 1 beispielweise um die Emitter mindestens eines Laserdiodenbarrens oder die Enden einer Mehrzahl von Lichtleitfasern handeln. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das Licht eines Lasers durch eine Mehrzahl von Strahlteilern in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Intensitäten der von den einzelnen Laserlichtquellen 1 ausgehenden Laserstrahlen 2 unabhängig voneinander geregelt werden können. Dazu können nicht abgebildete Regelmittel vorgesehen sein.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, die Laserlichtquellen 1 gegen andere Laserlichtquellen auszutauschen. Weiterhin können weitere Laserlichtquellen hinzugenommen werden, wenn eine längere linienförmige Intensitätsverteilung erzeugt werden soll.
Die abgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin in positiver Z-Richtung hinter den Laserlichtquellen 1 Kollimiermittel 3, die schematisch als ein Linsenarray mit einer Mehrzahl sphärischer Linsen dargestellt sind. Die Kollimiermittel 3 können die Mehrzahl von Laserstrahlen 2 zumindest teilweise kollimieren.
Die abgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin in positiver Z-Richtung hinter den Kollimiermittel 3 erste Homogenisatormittel 4, die eine Mehrzahl von in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Linsenarrays 5 aufweisen. Die ersten Homogenisatormittel 4 dienen zur Vorhomogenisierung der Laserstrahlen 2.
Die Linsenarrays 5 weisen dabei jeweils eine Mehrzahl von in X-Richtung nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen auf, deren Zylinderachsen sich in Y-Richtung erstrecken. In 1 und 2 sind die Brennebenen 6 der Zylinderlinsenarrays 5 eingezeichnet. Durch die in X-Richtung wirkende Brechkraft der Zylinderlinsen der Linsenarrays 5 erfolgt eine Aufteilung der einzelnen Laserstrahlen 2 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen und ein Auseinanderlaufen in X-Richtung dieser Teilstrahlen hinter den Brennebenen 6.
Die abgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin in positiver Z-Richtung hinter den Brennebenen 6 der ersten Homogenisatormittel 4 Überlagerungsmittel 7, die durch ein Linsenarray mit einer Mehrzahl von Linsen 8 gebildet sind. Die Linsen 8 sind als Zylinderlinsen ausgebildet, deren Zylinderachsen sich ebenfalls in Y-Richtung erstrecken. Die Linsen 8 weisen sämtlich die gleiche Brennweite auf und haben somit eine gemeinsame Brennebene 9.
Die Linsen 8 dienen als Feldlinsen und überlagern die einzelnen Teilstrahlen der von den Zylinderlinsen der Linsenarrays 5 aufgespalteten Laserstrahlen 2 jeweils in ihrer Brennebene 9. In dieser Brennebene 9 sind die einzelnen Laserstrahlen 2 in X-Richtung noch voneinander beabstandet.
Die abgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin in positiver Z-Richtung hinter den Überlagerungsmitteln 7 und vor der Brennebene 9 Fokussiermittel 10, die als Zylinderlinse ausgebildet sind, deren Zylinderachse sich in X-Richtung erstreckt. Die Fokussiermittel 10 fokussieren die Mehrzahl von Laserstrahlen 2 in einer zweiten Richtung, die der Y-Richtung entspricht, in ihrer Brennebene. Diese Brennebene entspricht der Arbeitsebene 11.
Die abgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin in positiver Z-Richtung hinter der Brennebene 9 zweite Homogenisatormittel 12, die durch zwei in Z-Richtung hintereinander angeordnete Linsenarrays 13, 14 gebildet werden (siehe auch 2). Die Linsen der Linsenarrays 13, 14 sind in X-Richtung nebeneinander angeordnet. Die Linsen der Linsenarrays 13, 14 sind als Zylinderlinsen ausgebildet, deren Zylinderachsen sich in Y-Richtung erstrecken.
Die zweiten Homogenisatormittel 12 sind in einem solchen Abstand in Z-Richtung hinter der Brennebene 9 der Überlagerungsmittel 7 angeordnet, dass die einzelnen Laserstrahlen 2 in X-Richtung bereits überlappen (siehe 1).
3 zeigt eine beispielhafte Intensitätsverteilung auf der Eintrittsfläche des ersten Linsenarrays 13. Dabei ist in willkürlichen Einheiten horizontal die X-Richtung und vertikal die Intensität 15 aufgezeichnet. Es zeigt sich, dass die Laserstrahlen 2 in X-Richtung schon überlagert sind, gleichzeitig aber noch Intensitätsschwankungen in X-Richtung vorhanden sind. Dies hat seinen Grund in der noch nicht sehr homogenen Überlagerung der einzelnen gestrichelt angedeuteten Intensitäten 16 der einzelnen Laserstrahlen 2.
In positiver Z-Richtung hinter den zweiten Homogenisatormitteln 12 sind keine weiteren Überlagerungsmittel angeordnet. Vielmehr ist der Abstand zwischen den beiden Linsenarrays 13, 14 so gewählt, dass die einzelnen Laserstrahlen 2 in der Arbeitsebene 11 homogen überlagert werden.
4 zeigt dementsprechend eine beispielhafte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene. Dabei ist in willkürlichen Einheiten horizontal die X-Richtung und vertikal die Intensität 17 aufgezeichnet. Es zeigt sich, dass die Laserstrahlen 2 in X-Richtung sehr homogenen überlagert sind. Auf diese Weise lässt sich eine sehr lange und sehr homogene linienförmige Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene 11 erreichen, deren Längsrichtung sich in X-Richtung erstreckt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung ist die homogene Überlagerung der einzelnen Laserstrahlen 2 nicht nur in der Arbeitsebene 11, sondern auch in beispielhaft davor und dahinter eingezeichneten Ebenen 18, 19 sehr gut. Es ergibt sich also eine vergleichsweise große Tiefenschärfe der gewünschten Intensitätsverteilung. Bei entsprechend gewählten Fokussiermitteln trifft dies auch auf die Y-Richtung beziehungsweise die Richtung senkrecht zur Längsrichtung der linienförmigen Intensitätsverteilung zu.
In 1 und 2 ist hinter den zweiten Homogenisatormitteln 12 schematisch ein Fenster 20 angedeutet, das ein nicht abgebildetes Gehäuse verschließen kann, in dem die Vorrichtung ganz oder teilweise untergebracht sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007052782 A1 [0003]
WO 2005/085934 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene (11), umfassend – erste Homogenisatormittel (4), die eine Mehrzahl von in einer ersten Richtung (X) nebeneinander verlaufenden Laserstrahlen (2) zumindest teilweise homogenisieren können, – Überlagerungsmittel (7), die derart angeordnet sind, dass sie die von den ersten Homogenisatormitteln (4) zumindest teilweise homogenisierten Laserstrahlen (2) zumindest in der ersten Richtung (X) zumindest teilweise überlagern können, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorrichtung weiterhin zweite Homogenisatormittel (12) umfasst, die derart angeordnet sind, dass sie die von den Überlagerungsmitteln (7) zumindest teilweise überlagerten Laserstrahlen (2) zumindest in der ersten Richtung (X) zumindest teilweise homogenisieren können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (X) der Längsrichtung der zu erzeugenden linienförmigen Intensitätsverteilung entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsmittel (7) mindestens eine als Feldlinse dienende Linse (8) umfassen, vorzugsweise eine Mehrzahl als Feldlinsen dienende Linsen (8) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Homogenisatormittel (12) einen Abstand zu der mindestens einen als Feldlinse dienenden Linse (8) aufweisen, der größer als die Brennweite der mindestens einen Linse (8) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Homogenisatormittel (12) zweistufig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Homogenisatormittel (12) mindestens ein Linsenarray (13, 14), vorzugsweise zwei Linsenarrays (13, 14), umfassen, wobei die vorzugsweise zwei Linsenarrays (13, 14) in Ausbreitungsrichtung (Z) der Laserstrahlen (2) hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenarrays (13, 14) der zweiten Homogenisatormittel (12) derart ausgebildet und/oder zueinander beabstandet sind, dass sie die Laserstrahlen (2) in der Arbeitsebene (11) zumindest in der ersten Richtung(X) zumindest teilweise miteinander überlagern können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zweiten Homogenisatormitteln (12) und der Arbeitsebene (11) keine Überlagerungsmittel angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Homogenisatormittel (4) eine Mehrzahl von in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Linsenarrays (5) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Fokussiermittel (10) umfasst, die die Mehrzahl von Laserstrahlen (2) in einer zweiten Richtung (Y), die senkrecht zu der ersten Richtung (X) ist, fokussieren können, wobei die Fokussiermittel (10) insbesondere zwischen den Überlagerungsmitteln (7) und den zweiten Homogenisatormitteln (12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Kollimiermittel (3) umfasst, die die Mehrzahl von Laserstrahlen (2) zumindest teilweise kollimieren können, wobei die Kollimiermittel (3) insbesondere vor den ersten Homogenisatormitteln (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Laserlichtquellen (1) für die Erzeugung der Mehrzahl von Laserstrahlen (2) umfasst, wobei die Laserlichtquellen (1) beispielsweise die Emitter mindestens eines Laserdiodenbarrens oder die Enden einer Mehrzahl von Lichtleitfasern sein können oder durch eine Mehrzahl von Strahlteilern realisiert werden können, mit denen das Licht eines Lasers in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Laserstrahlen (2) hinsichtlich ihrer Intensität geregelt, insbesondere unabhängig voneinander geregelt werden können.